ГЕОХИМИЯ МЕТАМОРФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

9.ГЕОХИМИЯ МЕТАМОРФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

В геохимическом отношении метаморфические породы изучены слабее, чем магматические. Метаморфизм преобразовывает осадочные и магматические породы под влиянием высоких температур, давлений и активности жидких растворов.

Магматические породы на глубине, по мере их кристаллизации, переходят в метаморфические, как и поверхностные осадочные диагенетические, попадая в зону повышенного давления. Происходит их спрессовывание, уменьшение объема и вытеснение воды. Расплавленные метаморфические породы на границе с мантией создают магму.

Ассоциации новообразованных минералов в метаморфических условиях образуют новые структуры, которые соответствуют изменившимся условиям. Таким образом, метаморфизм приводит к частичной или полной перекристаллизации породы с образованием новых структур и новых минералов. Почти все солевые отложения обнаруживают признаки частичной или полной перекристаллизации при погружении на глубину. Начало метаморфизма нельзя приурочить к определенным температурам и давлениям, так как они зависят от минералогического состава и структуры породы. Вода является основным веществом в действии химически активных растворов при метаморфизме. Она может привносить и выносить материал, растворять и переосаждать. Поэтому в этой зоне метаморфизма может протекать метасоматоз. Действие воды усиливается в присутствии углекислого газа, борной кислоты, фтористого и хлористого водорода, других веществ, часто магматического происхождения.

С точки зрения термодинамики метаморфизм может быть представлен как превращение одной минеральной ассоциации в другую с меньшей свободной энергией:

A + B + C → L + M + N

Возрастание давления сдвигает равновесие в направлении уменьшения объема системы, а температуры – способствует эндотермическим реакциям. В общем виде метаморфизм приводит к превращению материала породы в минеральную ассоциацию, обладающую в данных условиях наименьшей свободной энергией.

Кинетика гетерогенных реакций разработана недостаточно. Энергия активации – важнейший фактор, определяющий скорость реакции, которая возрастает в определенное число раз при изменении температуры на данную величину. Она составляет в среднем 13000 кал/моль. Повышение температуры приводит к ослаблению связи между частицами фазы, облегчает подвижность реагирующих частиц, снижает энергию активации и ускоряет реакцию. Вещества будут реагировать тем легче, чем мельче зерна и чем лучше они перемешаны, т.е. мелкозернистые породы метаморфизируются быстрее, чем грубозернистые. Изменение пород под действием повышающейся температуры происходит быстрее, в отличие от понижающейся.

Согласно правилу фаз большинство минералов, способных существовать совместно в равновесной системе, ограничивается числом компонентов в породе. Часто встречается меньшее число фаз, чем максимально допустимое. Многие метаморфические породы, обладающие сложным химическим составом, как амфиболит (роговая обманка – плагиоклаз) и слюдяной сланец (мусковит – альбит – хлорит – кварц) просты в минералогическом отношении. Это обусловлено тем, что индивидуальные элементы, входящие в состав породы, не являются компонентами в термодинамическом смысле. Например, закисное железо и магнетит часто рассматривают как один компонент, это относится к алюминию и окисидному железу, натрию и калию.

Основой классификации метаморфических пород является принцип фаций. В идеале генетическая классификация метаморфических пород должна быть основана на данных по температурам и давлениям, при которых они образуются. Однако точно оценить температуру и давление образования различных метаморфических пород пока невозможно. Хотя Эскола принял, что минеральная ассоциация является показателем условий образования и химического состава породы.

По существу концепция фаций является выражением правила фаз. Они различаются и определяются по нахождению критических минералов или ассоциаций, характерных для данной фации и не встречающихся в других фациях. Однако многие минералы (кварц, альбит, кварцит и др.) устойчивы в широком диапазоне условий. Истинные интервалы температур и давлений, характерные для фаций, недостаточно точны. Изменчивость минералов связана с валовым составом породы, условиями температуры и давления. Большинство минералов метаморфических пород обладает переменным составом вследствие возможности атомных замещений, а устойчивость минералов, так же как и их способность реагировать с другими минералами, зависит от характера и степени этих замещений. Например, в метаморфических породах может изменяться состав гранатов от богатых железом альмандинов в слабо метаморфизированных сланцах до богатых магнием пиропов в сильно метаморфизированных эклогитах и гранулитах.

9.1.Метаморфические процессы

В ходе метаморфизма может протекать метасоматоз при замещении одних минералов другими, а при частичном плавлении исходной породы – ультраметаморфизм. В докембрии известны переходные образования при переходе к магмообразованию – мигматиты.

Метаморфизм подразделяется на эндогенный, связанный с недрами Земли, и космогенный, возникающий при ударе метеоритов о земную поверхность с образованием метеоритных кратеров – астроблем.

Космогенный (ударный) метаморфизм приводит к образованию особых пород – импактитов, которые испытали температуру в тысячи градусов и высокое давление. Они могут содержать сверхплотные минералы – алмаз, стишовит, рингвудит и др.

В недрах Земли в зависимости от значения температуры, давления, концентрации ряда веществ в горных породах выделяют следующие виды метаморфизма: региональный, контактный, дислокационный (динамометаморфизм), изохимический, аллохимический, прогрессивный, регрессивный, диафторез.

Региональный метаморфизм – погружение на глубину и изменение минерального состава и структуры исходной породы. Верхний предел температуры достигает 700 – 1000ºС, давление – десятков тысяч атмосфер (десятков килобар).

Общие тенденции минералообразования:

• 
  образование плотных минералов;
  
• 
  уменьшение роли воды и CO₂ в минералах с ростом температуры.
  

При развитии регионального метаморфизма выделяют прогрессивный метаморфизм (с повышенными температурой и давлением) и регрессивный (с пониженными температурой и давлением). Если регрессивный метаморфизм оторван во времени от предыдущего этапа, его называют диафторезом. Он протекает с участием воды, выделившейся на прогрессивной стадии метаморфизма. Региональный метаморфизм охватывает земную кору в среднем до глубин 25–30 км.

Рассмотрим стадии регионального метаморфизма, когда трансформируются различные исходные породы:

• 
  Карбонатные породы (известняки) → мрамор.
  
• 
  Магнезиальные карбонатные породы → кальцифиры (аналог магнезиальных скарнов) с равномерным распределением форстерита, диопсида, флогопита.
  
• 
  Хемогенно-осадочные породы богатые Fe, Si → железистые кварциты (джеспилиты) – тонкослоистые породы из магнетита, гематита, кварца, иногда щелочного амфибола (рибекит) и некоторых железистых силикатов (ферросилит, фаялит). Они приурочены к докембрийским образованиям (высшая ступень метаморфизма).
  
• 
  Высокоглиноземистые осадки (бокситы древних кор латеритного типа) → андалузит – кианитовые сланцы (иногда с диаспором), силлиманитовые сланцы, корундосодержащие породы.
  
• 
  Древние россыпи → метаморфизированные золотоносные конгломераты с уранитом и самородным золотом.
  
• 
  Торф → каменный уголь, антрацит, шунгиты, переходящие в графит.
  
• 
  Жилы альпийского типа как продукт регионального метаморфизма, содержат горный хрусталь, рутил, адуляр, сфен, апатит, гематит, брукит, цеолит.
  

В него входит классический метаморфизм и метаморфизм нагрузки. Происходит динамическое преобразование горных пород и минералов. Кластический метаморфизм приводит к разрывным деформациям пород с дроблением минеральных индивидов. Образуются катаклазиты и милониты. Миграция элементов слабая.

Если при повышении давления и температуры элементарный состав твердой фазы породы не меняется и характерен только привнос или вынос газообразных продуктов (H₂O, CO₂, O₂ и др.), то такой метаморфизм называется изохимическим.

При аллохимическом метаморфизме в систему поступают и выносятся из нее не только газообразные, но и растворимые соединения (особенно K, Na, Ca, Mg, Fe), порода сильно изменяется вплоть до полного метасоматического преобразования. Некоторые авторы этот вид метаморфизма считают синонимом гидротермального метасоматоза.